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Digital Twin的熱度

全球最具權威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner連續在2016和2017年將Digital Twin列為當年十大戰略科技發展趨勢，使得Digital Twin成為了這幾年在IIoT、智能制造大潮中非常流行的詞匯，然而這種景象總讓人們以為它僅僅是一個處于“概念”階段的詞匯。

圖1-Gartner 2017年十大科技趨勢^[1]

什么是Digital Twin？

最早定義“Digital Twin”的是美國密歇根大學的Michael Grieves教授在2003年提出“與物理產品等價的虛擬數字化表達”，并且他提議將數字孿生與工程設計進行對比，來更好的理解產品的生產與設計，在設計與執行之間形成緊密的閉環^[2]。

圖2-Michael Grieves教授于2003年提出“Digital Twin”概念

知名咨詢公司德勤（Deloitte）也于2017年發布了“工業4.0與數字孿生”中對Digital Twin的架構進行了清晰的描述，德勤認為通過數字孿生企業可以實現產品快速面市、改善運營、創新的業務模式以及降低生產缺陷，圖3則顯示了其實現架構。

圖3-德勤關于數字孿生的架構

Digital Twin有什么用？

本文不是學術論文，我們需要把“Digital Twin”落在實處，簡而言之，Digital Twin可以理解為在虛擬的世界對物理的生產線進行建模，并對其進行仿真，然后將其“下載”到物理世界，然后可以實時獲取產線的生產狀態，并對其進行數據進行統計呈現、傳輸至MES/ERP等，并接受來自產線調整的參數進行工藝換裝。

貝加萊最新的ACOPOStrak的HMI中顯示的虛擬系統與物理的系統是一一對應的，仿真系統可以實時讀取控制器中ACOPOStrak當前的運行狀態，并顯示，另外，當仿真完成后，下載到控制器也可以直接驅動系統來執行。

Digital Twin有哪些應用場景？

通過Digital Twin，設計人員可以在以下幾個方面下手

1.產線組裝之前的驗證

產線設計最難的地方在哪里？

做產線設計的人應該最清楚，對于制造而言，其產線設計最難的也是最耗費時間的是在驗證階段，因為一個產品的生產由多個工序構成，在每個工序輸送系統的速度、加速度、間距等參數必須在負載下進行驗證是否可行，而這個過程在傳統上，需要實際的物理裝置裝配好以后才能進行。

2.虛擬調試

顯然，虛擬調試是Digital Twin最為好的應用，對于工程師而言，在物理的產線未組裝完成，甚至尚未采購前就開始開發程序，邏輯、運動關系，然后在系統里進行虛擬的參數調校，等系統組裝完成，直接下載程序，即可實現快速的上電調試，而這個時候系統的參數優化、匹配已經在前期虛擬調試階段完成了。

3.工藝換裝時的驗證

第二種情況是對已有的產線進行換裝，但是，我必須要驗證新的生產狀態下，例如：新增的滑塊、減掉滑塊，系統是否可行？

尤其對于SuperTrak和ACOPOStrak這樣的柔性傳送系統，他們的底層都自帶托盤防碰撞機制，這樣即使程序出現錯誤，也不會導致托盤（或他們承載的產品）之間發生碰撞。這種機制對于產線安全極為重要。但是在正常運轉的生產流程中，應該盡量避免防碰撞機制的觸發，以免托盤不必要的反復加減速，導致增加系統散熱和功率上的負擔，甚至生產節拍的降低。Digital Twin可以完美地完成這個任務，它不僅可以仿真程序的內容，也可以完全一致地體現傳送系統的防碰撞機制，這樣在換裝之前，我們就可以在仿真中完成防碰撞機制的規避。

數字孿生-在產線投資之前確保它是可行的

對于投資高昂產線的企業主而言，驗證其是否可行非常必要，因此，SuperTrak和ACOPOStrak這種可以借助于Digital Twin實現預先的驗證和規劃，對于產線設計而言，非常關鍵：

（1）知道可以達到的水平，和為此而需要的最佳機電匹配；

（2）在機械安裝完成前軟件同步開發測試；

（3）工藝換裝也可以提前規劃；

圖4反映了與德勤所提供的相似的數字孿生實現架構，通過工業現場的實時通信POWERLINK，以及集成開發平臺Automation Studio、物理的對象SuperTrak/ACOPOStrak和ABB機器人，建模仿真軟件、OPC UA實現的互聯來構成整個產線的數字孿生架構。

圖4-基于Digital Twin思想的產線設計

它是如何實現的？

基于貝加萊集成開發平臺Automation Studio開放的數字化連接能力，ACOPOStrak/SuperTrak所構成的數字孿生機電設計架構如圖5所示：

圖5-貝加萊實現產線設計Digital Twin的架構

1. 機電CAD設計軟件提供了產線的物理尺寸與規格，包括了物理的輸送段的幾何尺寸、滑塊的對應參數（尺寸,重量,中心坐標等）。

2. Automation Studio的控制：對于物理的滑塊運動而言，其由x,y,z及旋轉Φx,Φy,Φz構成，而機械的參數與這些控制模型結合，形成了對整個物理的控制對象的融合。

在Automation Studio中，SuperTrak/ACOPOStrak和機器人被協同在同一軟件架構下實現協同，并下載到物理的控制器（一臺工業PC）控制執行機構如伺服驅動器（用于控制機器人和周邊設備），以及Trak的滑塊。

3. Scene Viewer與CAD交互形成產線的幾何圖形顯示，而Automation Studio則將實際運行的物理對象參數返回給Scene Viewer形成動態的圖形顯示。

4. 當產線的機械參數發生變化時，由CAD系統提供新的參數給Automation Studio，Automation Studio將執行新的程序來調整SuperTrak/ACOPOStrak的滑塊動作。

基于SuperTrak/ACOPOStrak的數字孿生設計，可以為產線提供全新的方法，并確保投資安全性，提高投資回報。

貝加萊將于2019年1月10日在上海漕河涇萬麗酒店3樓舉辦“ACOPOStrak創新日”，歡迎您的關注！

參考文獻：

[1]https://blogs.gartner.com/smarterwithgartner/files/2016/10/TopTenStrTechTrends2017_Infographic_Final.png

[2]Michael Grieves,Digital Twin: ManufacturingExcellence through VirtualFactory Replication,LLC,2014

[3]https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/cn/Documents/cip/deloitte-cn-cip-industry-4-0-digital-twin-technology-en-171215.pdf

關于貝加萊

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創新驅動型自動化企業，2017年7月，貝加萊成為ABB集團全球機器與工廠自動化業務單元。作為全球工業自動化領域的領導者，貝加萊融合了前沿技術與先進的工程能力，為各個產業客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術的完整解決方案。通過工業物聯網通信標準如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的Automation Studio軟件開發環境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續的創新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業自動化領域前沿技術與方案。